JP2013160128A - Reducing agent adding system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気管においてターボチャージャーのタービンよりも下流に配置した添加弁から排気管内の排気にアンモニア系還元剤を噴射することにより排気管下流に配置された触媒にアンモニア系還元剤を供給する還元剤添加システムに関する。 The present invention relates to an ammonia-based reducing agent in a catalyst disposed downstream of an exhaust pipe by injecting the ammonia-based reducing agent into exhaust gas in the exhaust pipe from an addition valve disposed downstream of the turbocharger turbine in the exhaust pipe of the internal combustion engine. It is related with the reducing agent addition system which supplies.
内燃機関から排出されるNOx(窒素酸化物)を還元する窒素酸化物浄化装置として、SCR(Selective Catalytic Reduction)システムが知られている。このSCRシステムでは、例えば尿素水溶液(いわゆる尿素水)やアンモニアガスなどのアンモニア系還元剤を排気管内に噴射することにより、下流に存在する窒素酸化物浄化用触媒にて、アンモニアの還元作用により、排気に含まれるNOxを選択的に窒素や水に還元している。尚、排気管内に尿素水を噴射した場合には、高温の排気中で尿素が加水分解することでアンモニアを発生させている。 An SCR (Selective Catalytic Reduction) system is known as a nitrogen oxide purification device that reduces NOx (nitrogen oxide) discharged from an internal combustion engine. In this SCR system, for example, by injecting an ammonia-based reducing agent such as urea aqueous solution (so-called urea water) or ammonia gas into the exhaust pipe, the nitrogen oxide purifying catalyst existing downstream, by the reducing action of ammonia, NOx contained in the exhaust is selectively reduced to nitrogen or water. When urea water is injected into the exhaust pipe, ammonia is generated by hydrolysis of urea in the high-temperature exhaust gas.
このようなアンモニア系還元剤を排気管内に噴射した場合、排気中でその濃度が偏っていると、下流の触媒では場所により還元作用に偏りが生じ、このことにより浄化効率が低下するおそれがある。したがって、下流の触媒全体に均一にアンモニア系還元剤を供給するためには、噴射直後にアンモニア系還元剤を排気流全体に迅速に均一分散する必要がある。 When such an ammonia-based reducing agent is injected into the exhaust pipe, if its concentration is biased in the exhaust gas, the downstream catalyst may be biased in the reducing action depending on the location, which may reduce the purification efficiency. . Therefore, in order to supply the ammonia-based reducing agent uniformly to the entire downstream catalyst, it is necessary to quickly and uniformly disperse the ammonia-based reducing agent in the entire exhaust stream immediately after injection.
更に尿素水のごとく加水分解が必要な場合には、上述したごとく均一な分散が必要であると共に、更に、噴射された尿素水を加水分解のために迅速かつ十分に加熱する必要性と、尿素結晶が排気管内壁に固化状態で付着しないようにする必要性とが生じる。 Further, in the case where hydrolysis is required as in the case of urea water, uniform dispersion is required as described above, and further, the necessity of heating the injected urea water quickly and sufficiently for hydrolysis, and urea There is a need to prevent crystals from adhering to the inner wall of the exhaust pipe in a solidified state.
このような問題に対処するものとして、排気管内に2つのガイドパイプを組み合わせたガイドを配置することにより、排気流方向を変化させて排気同士を衝突させたり、排気流の高速化を図って、尿素水を排気中に均一に分散させ、かつ排気管内壁に尿素結晶が付着しないようにした技術が知られている(例えば特許文献1参照)。 As a countermeasure to such a problem, by arranging a guide in which two guide pipes are combined in the exhaust pipe, the exhaust flow direction is changed to cause the exhaust to collide with each other, or the exhaust flow is speeded up. A technique is known in which urea water is uniformly dispersed in exhaust gas and urea crystals are not attached to the inner wall of the exhaust pipe (see, for example, Patent Document 1).
しかし特許文献1の技術では、排気流の衝突や流速を高くするために、排気流中に流動抵抗となるガイドパイプを配置しているため、背圧が高まり、内燃機関の燃費が悪化する。 However, in the technique of Patent Document 1, since a guide pipe that becomes a flow resistance is arranged in the exhaust flow in order to increase the collision and flow velocity of the exhaust flow, the back pressure increases and the fuel consumption of the internal combustion engine deteriorates.
更に特許文献1の技術では、ターボチャージャーを備えた内燃機関に対して尿素水の噴射のための添加弁を配置している。この場合、尿素の析出がタービンに影響しないようにしたり、尿素水の添加弁が高温化することを付着を避けるために、添加弁はターボチャージャーのタービンよりも下流側に備えることになる。 Furthermore, in the technique of Patent Document 1, an addition valve for injecting urea water is arranged for an internal combustion engine equipped with a turbocharger. In this case, the addition valve is provided on the downstream side of the turbine of the turbocharger in order to prevent the precipitation of urea from affecting the turbine and to prevent adhesion of the urea water addition valve to a high temperature.
しかしタービンを通過した後では排気は十分に攪拌されることなく流れる。このことから内燃機関の運転状態によっては触媒に到達するまでに排気流全体への均一分散が不十分となるおそれがある。このことにより触媒における浄化効率も不十分となるおそれがある。 However, after passing through the turbine, the exhaust flows without being sufficiently agitated. For this reason, depending on the operating state of the internal combustion engine, there is a risk that the uniform dispersion in the entire exhaust flow may become insufficient before reaching the catalyst. This may result in insufficient purification efficiency in the catalyst.
更にタービン上流側よりも排気が低温化している下流で尿素水が噴射されるため、触媒に到達するまでに尿素の加水分解によるアンモニア発生が不十分となり、このことにより均一分散や迅速な浄化処理が困難となるおそれがある。 Furthermore, urea water is injected downstream from the upstream side of the turbine where the exhaust temperature is lower, so ammonia generation due to urea hydrolysis is insufficient before reaching the catalyst, which enables uniform dispersion and rapid purification. May become difficult.
本発明は、ターボチャージャーのタービンの下流でアンモニア系還元剤を添加弁から噴射する還元剤添加システムにおいて、内燃機関の背圧を高めること無く、排気流全体へのアンモニア系還元剤の均一分散を向上できると共に、アンモニア系還元剤が尿素水である場合には加水分解も迅速にできる還元剤添加システムの提供を目的とするものである。 The present invention provides a reductant addition system that injects an ammonia reductant from an addition valve downstream of a turbine of a turbocharger, and uniformly distributes the ammonia reductant in the entire exhaust flow without increasing the back pressure of the internal combustion engine. It is an object of the present invention to provide a reducing agent addition system that can be improved and can be rapidly hydrolyzed when the ammonia-based reducing agent is urea water.
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用・効果について記載する。
請求項1に記載の還元剤添加システムは、内燃機関の排気管においてターボチャージャーのタービンよりも下流に配置した添加弁から排気管内の排気にアンモニア系還元剤を噴射することにより排気管下流に配置された触媒にアンモニア系還元剤を供給する還元剤添加システムであって、前記添加弁の噴射方向における排気管内の空間領域に、前記タービンより上流側の排気を噴出させる排気噴出機構を備えたことを特徴とする。
In the following, means for achieving the above-mentioned purpose, and its operation and effect are described.
The reducing agent addition system according to claim 1 is arranged downstream of the exhaust pipe by injecting ammonia-based reducing agent into the exhaust gas in the exhaust pipe from an addition valve arranged downstream of the turbocharger turbine in the exhaust pipe of the internal combustion engine. A reducing agent addition system for supplying an ammonia-based reducing agent to the prepared catalyst, comprising an exhaust ejection mechanism for ejecting exhaust gas upstream of the turbine in a space region in the exhaust pipe in the injection direction of the addition valve. It is characterized by.
内燃機関運転時は、ターボチャージャーのタービンより上流側の排気は、下流側の排気に比較して高温高圧である。この高温高圧の排気を、排気噴出機構は、タービンよりも下流側でアンモニア系還元剤を噴射している添加弁に対して、その噴射方向における排気管内の空間領域に噴出させている。 During operation of the internal combustion engine, the exhaust on the upstream side of the turbine of the turbocharger is at a higher temperature and pressure than the exhaust on the downstream side. The exhaust jet mechanism ejects the high-temperature and high-pressure exhaust into a space region in the exhaust pipe in the injection direction with respect to the addition valve that injects the ammonia-based reducing agent on the downstream side of the turbine.
このように噴出された排気は、アンモニア系還元剤を含んだ周りの排気よりも高温高圧である。このため添加弁からアンモニア系還元剤が噴射された空間領域において、高温高圧の排気による激しい噴流が生じ、このことによりアンモニア系還元剤を含んだ空間領域が高温状態で激しく攪拌される。 The exhaust gas thus ejected is at a higher temperature and pressure than the surrounding exhaust gas containing the ammonia-based reducing agent. For this reason, in the space area where the ammonia-based reducing agent is injected from the addition valve, a vigorous jet is generated by the high-temperature and high-pressure exhaust, and the space area containing the ammonia-based reducing agent is vigorously stirred at a high temperature.
このため従来のごとく、添加弁から排気中にアンモニア系還元剤を単に噴射した場合や、タービン下流の排気流内にガイドパイプを配置して排気流の方向や高速化を図った場合に比較して、より激しい攪拌が生じて、下流側の触媒に到達する前にアンモニア系還元剤は排気流全体に十分均一に分散される。 For this reason, as compared with conventional cases where ammonia-based reducing agent is simply injected into the exhaust from the addition valve, or when a guide pipe is arranged in the exhaust flow downstream of the turbine to increase the direction and speed of the exhaust flow. Thus, the ammonia-based reducing agent is sufficiently evenly dispersed throughout the exhaust stream before more intense agitation occurs and reaches the downstream catalyst.
このことにより触媒全体に均一にアンモニア系還元剤が供給される。
更に、アンモニア系還元剤が尿素水であった場合には、その液滴が上述のごとく迅速にかつ均一に排気中に分散されると共に、この分散を行う排気は高温であるため、尿素の加水分解を促進して迅速にアンモニアに変化する。このため排気管内壁に尿素が析出して付着することがなく、アンモニアを触媒全体に均一に供給できる。
As a result, the ammonia-based reducing agent is uniformly supplied to the entire catalyst.
Further, when the ammonia-based reducing agent is urea water, the droplets are quickly and uniformly dispersed in the exhaust gas as described above, and the exhaust gas that performs the dispersion is hot, so Rapidly changes to ammonia with accelerated decomposition. For this reason, urea does not precipitate and adhere to the inner wall of the exhaust pipe, and ammonia can be supplied uniformly to the entire catalyst.
このようなアンモニア系還元剤の排気中への迅速な均一分散、更には尿素水の場合の尿素の迅速な加水分解は、排気噴出機構が、タービンより下流の排気管内の前記空間領域に、タービンより上流側の排気を噴出させることで実行している。このため内燃機関の背圧が高くなることは無い。 Such a rapid uniform dispersion of the ammonia-based reducing agent into the exhaust gas, and further, a rapid hydrolysis of urea in the case of urea water, is caused by the exhaust jet mechanism in the space region in the exhaust pipe downstream from the turbine. This is done by ejecting the exhaust on the upstream side. For this reason, the back pressure of the internal combustion engine does not increase.
請求項2に記載の還元剤添加システムでは、請求項1に記載の還元剤添加システムにおいて、前記アンモニア系還元剤は尿素水であることを特徴とする。
このように尿素水をアンモニア系還元剤として用いた場合には、高温高圧の排気の導入が、より効果的なものとなる。すなわち上述したごとく尿素水の液滴が排気中に迅速にかつ均一に分散されると共に、その過程が高温下であることにより、尿素は迅速にアンモニアに加水分解される。したがって尿素水をアンモニア系還元剤として用いても、尿素が析出して排気管内壁に付着することがない。
The reducing agent addition system according to claim 2 is characterized in that, in the reducing agent addition system according to claim 1, the ammonia-based reducing agent is urea water.
Thus, when urea water is used as an ammonia-based reducing agent, introduction of high-temperature and high-pressure exhaust becomes more effective. That is, as described above, the urea water droplets are rapidly and uniformly dispersed in the exhaust gas, and urea is rapidly hydrolyzed into ammonia because the process is under high temperature. Therefore, even if urea water is used as the ammonia reducing agent, urea does not precipitate and adhere to the inner wall of the exhaust pipe.
請求項3に記載の還元剤添加システムでは、請求項1又は2に記載の還元剤添加システムにおいて、前記排気噴出機構は、前記タービン上流側から下流側へバイパスするバイパス管、このバイパス管に設けたバルブ、及びこのバルブを制御する制御部を備えたことを特徴とする。 In the reducing agent addition system according to claim 3, in the reducing agent addition system according to claim 1 or 2, the exhaust jet mechanism is provided in a bypass pipe that bypasses from the upstream side of the turbine to the downstream side, and the bypass pipe is provided. And a control unit for controlling the valve.
排気噴出機構は、上述したバイパス管、バルブ及び制御部を備えることにより、必要に応じて制御部がバルブを制御することにより、タービンより上流側の排気を、バイパス管を介して、添加弁の噴射方向における排気管内の空間領域に噴出させることができる。したがって排気エネルギーを効率的に利用できる。 The exhaust injection mechanism includes the bypass pipe, the valve, and the control unit described above, and the control unit controls the valve as necessary, so that the exhaust on the upstream side of the turbine can be discharged from the addition valve via the bypass pipe. It can be ejected to the space area in the exhaust pipe in the ejection direction. Therefore, exhaust energy can be used efficiently.
請求項4に記載の還元剤添加システムでは、請求項3に記載の還元剤添加システムにおいて、前記制御部は、前記添加弁からのアンモニア系還元剤の添加期間に対応して、前記バルブを制御して前記タービンより上流側の排気を噴出させることを特徴とする。 The reducing agent addition system according to claim 4, wherein in the reducing agent addition system according to claim 3, the control unit controls the valve in accordance with an addition period of the ammonia-based reducing agent from the addition valve. Then, the exhaust gas upstream of the turbine is ejected.
アンモニア系還元剤の添加期間は、触媒の状態により異なる。このため、アンモニア系還元剤の添加期間に対応して、タービン上流側の排気の噴出タイミングを決定することにより、不必要に高温高圧の排気をタービン下流に噴出させることがなく、排気エネルギーを効率的に利用できる。 The addition period of the ammonia reducing agent varies depending on the state of the catalyst. For this reason, by determining the timing of exhaust emission on the upstream side of the turbine corresponding to the addition period of the ammonia-based reducing agent, exhaust gas is efficiently discharged without unnecessarily causing high-temperature and high-pressure exhaust to be injected downstream of the turbine. Can be used.
請求項5に記載の還元剤添加システムでは、請求項4に記載の還元剤添加システムにおいて、前記制御部は、前記添加弁によりアンモニア系還元剤として尿素水が添加される領域での排気温が基準温度よりも低温である場合に、前記バルブを制御して前記タービンより上流側の排気を噴出させることを特徴とする。 In the reducing agent addition system according to claim 5, in the reducing agent addition system according to claim 4, the control unit has an exhaust temperature in a region where urea water is added as an ammonia reducing agent by the addition valve. When the temperature is lower than a reference temperature, the valve is controlled to discharge exhaust gas upstream of the turbine.
アンモニア系還元剤として尿素水を添加する場合に、タービン下流の排気温度が低くて尿素の迅速な加水分解が困難となる内燃機関運転状態では、タービン上流より高温高圧の排気を下流側で噴出させないと、排気管内壁に尿素が堆積したり、触媒での還元作用が十分に行われなくなるおそれがある。 When urea water is added as an ammonia-based reducing agent, high-temperature and high-pressure exhaust is not ejected downstream from the turbine upstream in an internal combustion engine operating state where exhaust temperature is low downstream of the turbine and rapid urea hydrolysis is difficult. Then, urea may accumulate on the inner wall of the exhaust pipe, or the reduction action with the catalyst may not be sufficiently performed.
逆にタービン下流の排気温度が十分に高い運転状態では、タービン上流より高温高圧の排気を下流側で噴出させなくても、尿素水の水分気化による激しい膨張や尿素の迅速な加水分解反応により、アンモニアの迅速な生成とその均一分散とが実現される。 Conversely, in an operating state where the exhaust gas temperature downstream of the turbine is sufficiently high, even if high-temperature and high-pressure exhaust gas is not ejected downstream from the upstream side of the turbine, due to intense expansion due to water vaporization of urea water and rapid hydrolysis reaction of urea, Rapid production of ammonia and its uniform dispersion are realized.
このため制御部が、尿素水が添加される領域での排気温が基準温度よりも低温である場合に限って、バルブを制御してタービンより上流側の排気を噴出させる。このことにより、必要以上に高温の排気をタービン下流で噴出させることがないので、排気エネルギーの利用が、より効率的なものとなる。 For this reason, only when the exhaust temperature in the region where the urea water is added is lower than the reference temperature, the control unit controls the valve to eject the exhaust upstream of the turbine. As a result, unnecessarily high temperature exhaust gas is not ejected downstream of the turbine, so that the use of exhaust energy becomes more efficient.
[実施の形態1]
〈実施の形態1の構成〉図1は、上述した発明が適用された還元剤添加システムの構成を表す。還元剤添加システムは、内燃機関、ここではディーゼルエンジン2の排気系に適用されている。ディーゼルエンジン2にはターボチャージャー4が設けられており、吸気管6側の吸気をコンプレッサ4aにより過給し、インタークーラー8で冷却して、ディーゼルエンジン2の各気筒に供給している。
[Embodiment 1]
<Configuration of Embodiment 1> FIG. 1 shows a configuration of a reducing agent addition system to which the above-described invention is applied. The reducing agent addition system is applied to an exhaust system of an internal combustion engine, here, a diesel engine 2. The diesel engine 2 is provided with a turbocharger 4. The intake air on the intake pipe 6 side is supercharged by the compressor 4 a, cooled by the intercooler 8, and supplied to each cylinder of the diesel engine 2.
ディーゼルエンジン2の排気は、上記過給のためにタービン4bに回転エネルギーを与える。この後、排気は、タービン4bの下流側の排気管12に、タービン4bの上流側に比較して低温低圧化して排出される。 The exhaust of the diesel engine 2 gives rotational energy to the turbine 4b for the supercharging. Thereafter, the exhaust is discharged to the exhaust pipe 12 on the downstream side of the turbine 4b at a lower temperature and lower pressure than the upstream side of the turbine 4b.
タービン4bの下流側の排気管12には尿素水添加弁14が配置され、排気管12内に尿素水(尿素水溶液)を噴射している。尿素水添加弁14へはポンプ16を介して尿素水貯留タンク18から尿素水が供給されている。 A urea water addition valve 14 is disposed in the exhaust pipe 12 on the downstream side of the turbine 4b, and urea water (urea aqueous solution) is injected into the exhaust pipe 12. Urea water is supplied from a urea water storage tank 18 to the urea water addition valve 14 via a pump 16.
尿素水添加弁14から排気中に噴射された尿素水の液滴は、排気管12内を流れる排気中に分散して排気の熱により尿素が加水分解される。このことによりアンモニアが発生する。このアンモニアが、アンモニア系還元剤として下流のSCR触媒20にてNOx浄化を行う。 The urea water droplets injected into the exhaust gas from the urea water addition valve 14 are dispersed in the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12, and the urea is hydrolyzed by the heat of the exhaust gas. This generates ammonia. This ammonia performs NOx purification at the downstream SCR catalyst 20 as an ammonia-based reducing agent.
尚、尿素水添加弁14及びポンプ16は電子制御回路により駆動が制御される。ここではディーゼルエンジン2の運転状態に応じて駆動が制御されて、ディーゼルエンジン2から排出されるNOxをSCR触媒20において尿素水の加水分解により生じるアンモニアにより適切に浄化するようにしている。 The urea water addition valve 14 and the pump 16 are driven by an electronic control circuit. Here, the drive is controlled according to the operation state of the diesel engine 2, and NOx discharged from the diesel engine 2 is appropriately purified by ammonia generated by hydrolysis of urea water in the SCR catalyst 20.
排気系においては、タービン4bの上流側から下流側へ排気をバイパスするバイパス路22が設けられている。このバイパス路22はタービン4b上流側の高温高圧の排気を、これと比較して低温低圧であるタービン4b下流側へ導入する管路である。バイパス路22とタービン4b下流側の排気管12との接続部には、噴出部24が形成されている。 In the exhaust system, a bypass path 22 is provided to bypass the exhaust from the upstream side to the downstream side of the turbine 4b. This bypass path 22 is a pipe line that introduces the high-temperature and high-pressure exhaust upstream of the turbine 4b to the downstream side of the turbine 4b, which has a low temperature and low pressure. An ejection portion 24 is formed at a connection portion between the bypass passage 22 and the exhaust pipe 12 on the downstream side of the turbine 4b.
図2の(A)に示すごとく、噴出部24は、ボックス状をなして、排気管12の壁面の一部を形成するように排気管12を貫いて固定されている。この噴出部24は、バイパス路22からの高温高圧の排気を一旦蓄積する蓄積室24aと、図2の(B)に示すごとく排気管12内側における内側壁部24bに開口し蓄積室24a内の高温高圧の排気を低温低圧の排気中に噴出する3つの噴出口24cとを備えている。 As shown in FIG. 2A, the ejection portion 24 has a box shape and is fixed through the exhaust pipe 12 so as to form a part of the wall surface of the exhaust pipe 12. The ejection portion 24 opens to the accumulation chamber 24a for temporarily accumulating high-temperature and high-pressure exhaust from the bypass passage 22 and the inner wall portion 24b inside the exhaust pipe 12 as shown in FIG. Three jet outlets 24c for jetting high-temperature and high-pressure exhaust gas into low-temperature and low-pressure exhaust gas are provided.
尚、噴出部24の内側壁部24bは、排気管12に内面に対応して湾曲しており、3つの噴出口24cは、尿素水添加弁14の尿素水噴射方向における排気管12内の空間領域Suに向けられている。 The inner wall portion 24 b of the ejection portion 24 is curved corresponding to the inner surface of the exhaust pipe 12, and the three outlets 24 c are spaces in the exhaust pipe 12 in the urea water injection direction of the urea water addition valve 14. It is directed to the area Su.
すなわちバイパス路22と噴出部24とにより排気噴出機構26が形成されることで、排気噴出機構26は、上記空間領域Suにタービン4bより上流側の排気を噴出させることができる。
〈実施の形態1の作用〉尿素水添加弁14から噴射された噴霧状態の尿素水の液滴が存在する空間領域Suに対して、排気噴出機構26から高温高圧の排気が噴出される。このように噴出された排気は、尿素水を含んだ周りの排気よりも高温高圧である。このため空間領域Suにおいて、水分の気化による激しい膨張も含めて高温高圧の排気による激しい噴流が生じ、空間領域Suは高温状態で激しく攪拌される。
That is, by forming the exhaust ejection mechanism 26 by the bypass path 22 and the ejection part 24, the exhaust ejection mechanism 26 can eject exhaust gas upstream of the turbine 4b into the space region Su.
<Operation of First Embodiment> High-temperature and high-pressure exhaust is ejected from the exhaust ejection mechanism 26 to the space region Su where the droplets of urea water sprayed from the urea water addition valve 14 are present. The exhaust gas thus ejected is at a higher temperature and pressure than the surrounding exhaust gas containing urea water. For this reason, in the space region Su, a violent jet is generated by high-temperature and high-pressure exhaust, including violent expansion due to moisture vaporization, and the space region Su is vigorously stirred in a high temperature state.
したがって、従来のごとく尿素水添加弁14から排気中に尿素水を単に噴射した場合や、背景技術で示したごとくタービン4b下流の排気流内にガイドパイプを配置して、排気流の方向や高速化を図った場合と比較して、本実施の形態の構成では、より激しい攪拌が、より高温な状態で生じる。
〈実施の形態1の効果〉(1)このため下流側のSCR触媒20に到達する前に、尿素水は排気流全体に十分均一に分散されると共に、尿素の加水分解が促進されて全体がアンモニアに変化する。このことから、排気管12内壁に尿素が付着することなく、SCR触媒20全体に十分均一にアンモニアを供給できる。
Therefore, when urea water is simply injected into the exhaust gas from the urea water addition valve 14 as in the conventional case, or as shown in the background art, a guide pipe is arranged in the exhaust flow downstream of the turbine 4b, and the direction of the exhaust flow and the high speed Compared with the case of achieving the above, in the configuration of the present embodiment, more intense stirring occurs at a higher temperature.
<Effect of Embodiment 1> (1) Therefore, before reaching the SCR catalyst 20 on the downstream side, the urea water is sufficiently uniformly dispersed in the entire exhaust gas stream, and the hydrolysis of urea is promoted to make the whole Change to ammonia. Thus, ammonia can be supplied sufficiently uniformly to the entire SCR catalyst 20 without urea adhering to the inner wall of the exhaust pipe 12.
このような尿素水の排気中への迅速な均一分散と尿素水の迅速な加水分解とを、排気噴出機構26が、尿素水添加弁14の噴射方向における排気管12内の空間領域Suに、タービン4bより上流側の排気を噴出させることで実行しているため、ディーゼルエンジン2の背圧が高くなることが無い。 Such a rapid uniform dispersion of urea water in the exhaust and rapid hydrolysis of urea water are performed by the exhaust ejection mechanism 26 in the space region Su in the exhaust pipe 12 in the injection direction of the urea water addition valve 14. Since it is executed by jetting exhaust gas upstream of the turbine 4b, the back pressure of the diesel engine 2 does not increase.
(2)排気噴出機構26が尿素水の分散を促進するので、尿素水添加弁14による噴霧粒径やポンプ16の能力といった尿素水添加のための機構上の要求性能が緩和される。このため尿素水添加機構としては安価なものが採用できる。 (2) Since the exhaust ejection mechanism 26 promotes the dispersion of urea water, the required performance on the mechanism for urea water addition such as the spray particle diameter by the urea water addition valve 14 and the capacity of the pump 16 is eased. For this reason, an inexpensive thing can be employ | adopted as a urea water addition mechanism.
[実施の形態2]
〈実施の形態2の構成〉本実施の形態では図3に示すごとくの構成である。ここでは、制御部としてのECU(電子制御ユニット)130は、前記実施の形態1と同様に、ディーゼルエンジンの運転状態やその他の情報に基づいて、尿素水添加弁114と、尿素水貯留タンク118から尿素水を尿素水添加弁114へ圧送するポンプ116とに対する制御を実行している。更に、本実施の形態では、タービンの上流側の排気を下流側の排気管112内に導入する排気噴出機構126は、前記実施の形態1と同様にバイパス路122と噴出部124とを備えているが、更にバイパス路122を開閉するバルブ122aとこれを駆動するアクチュエータ122bとを備えている。
[Embodiment 2]
<Configuration of Embodiment 2> In this embodiment, the configuration is as shown in FIG. Here, the ECU (electronic control unit) 130 as the control unit, like the first embodiment, based on the operation state of the diesel engine and other information, the urea water addition valve 114 and the urea water storage tank 118. And the pump 116 that pumps the urea water to the urea water addition valve 114 is executed. Further, in the present embodiment, the exhaust ejection mechanism 126 that introduces the exhaust on the upstream side of the turbine into the exhaust pipe 112 on the downstream side includes the bypass passage 122 and the ejection portion 124 as in the first embodiment. However, it further includes a valve 122a for opening and closing the bypass passage 122 and an actuator 122b for driving the valve 122a.
アクチュエータ122bは、ECU130により制御される。このことにより、図4のフローチャートに示す排気噴出制御処理に基づくタイミングで、バイパス路122と噴出部124とを介して、排気管112内の空間領域Suに高温高圧の排気の噴出している。他の構成は前記実施の形態1と同じである。
〈実施の形態2の作用〉図4の処理に基づいて本実施の形態の作用を説明する。図4の処理は短時間周期、例えば10ms毎に繰り返し実行される処理である。個々の処理内容に対応するフローチャート中のステップを「S〜」で表している。
The actuator 122b is controlled by the ECU 130. Accordingly, high-temperature and high-pressure exhaust is ejected into the space region Su in the exhaust pipe 112 via the bypass passage 122 and the ejection portion 124 at the timing based on the exhaust ejection control process shown in the flowchart of FIG. 4. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
<Operation of Second Embodiment> The operation of the present embodiment will be described based on the processing shown in FIG. The process of FIG. 4 is a process that is repeatedly executed every short period, for example, every 10 ms. Steps in the flowchart corresponding to individual processing contents are represented by “S˜”.
本処理が開始されると、まずECU130が別途実行している尿素水噴射処理において、尿素水噴射要求が有るか否かを判定する(S100)。ここで尿素水噴射要求が無い場合には(S100でNO)、バイパス路122に設けられているバルブ122aの閉指令をアクチュエータ122bに出力する(S104)。このことによりアクチュエータ122bではバルブ122aが直前までに開状態であればバルブ122aを閉じ、既にバルブ122aが閉状態にあればその状態を維持する。したがって噴出部124から下流側の排気管112内部に、タービン上流の高温高圧の排気は噴出されることはない。 When this process is started, it is first determined whether or not there is a urea water injection request in the urea water injection process separately executed by the ECU 130 (S100). If there is no urea water injection request (NO in S100), a closing instruction for the valve 122a provided in the bypass path 122 is output to the actuator 122b (S104). As a result, the actuator 122b closes the valve 122a if the valve 122a is in an open state just before, and maintains the state if the valve 122a is already in a closed state. Therefore, the high-temperature and high-pressure exhaust upstream of the turbine is not ejected from the ejection part 124 into the exhaust pipe 112 on the downstream side.
一方、尿素水噴射要求が有る場合には(S100でYES)、すなわちこの要求により尿素水添加弁114から尿素水が排気中に噴霧される添加期間である場合には、バルブ122aの開指令をアクチュエータ122bに出力する(S102)。このことによりアクチュエータ122bではバルブ122aが直前までに閉状態であればバルブ122aを開き、既にバルブ122aが開状態にあればその状態を維持する。したがって噴出部124から下流側の排気管112内部に、タービン上流の高温高圧の排気が噴出される。このことにより、尿素水添加弁114から噴射されている尿素水の液滴が存在する下流側の排気管112内の空間領域Suに対して、高温高圧の排気が高速に流れ込み、噴霧された尿素水を加熱しつつ攪拌する。このことにより尿素が迅速に加水分解して、生成したアンモニアが均一分散し、下流のSCR触媒120全体に対してアンモニアを十分均一に供給できる。
〈実施の形態2の効果〉(1)前記実施の形態1の効果を生じる。これと共に、バイパス路122にバルブ122aを備えて、必要に応じて、すなわち尿素水の添加期間において、タービン上流の高温高圧の排気を噴出し、尿素水の添加期間でなければその排気噴出は停止している。このため不必要に高温高圧の排気をタービン下流に噴出させることがないので、排気エネルギーを効率的に利用できる。
On the other hand, if there is a urea water injection request (YES in S100), that is, if it is an addition period in which urea water is sprayed from the urea water addition valve 114 into the exhaust gas by this request, an opening command for the valve 122a is issued. The data is output to the actuator 122b (S102). Thus, in the actuator 122b, the valve 122a is opened if the valve 122a is closed by just before, and the state is maintained if the valve 122a is already open. Therefore, high-temperature and high-pressure exhaust upstream of the turbine is ejected from the ejection portion 124 into the exhaust pipe 112 on the downstream side. As a result, high-temperature and high-pressure exhaust gas flows at high speed into the space region Su in the downstream exhaust pipe 112 where urea water droplets injected from the urea water addition valve 114 are present, and sprayed urea. Stir while heating water. As a result, urea is rapidly hydrolyzed, and the produced ammonia is uniformly dispersed, so that ammonia can be supplied sufficiently uniformly to the entire downstream SCR catalyst 120.
<Effects of Second Embodiment> (1) The effects of the first embodiment are produced. At the same time, the bypass 122 is provided with a valve 122a, and if necessary, that is, during the urea water addition period, the high-temperature and high-pressure exhaust gas upstream of the turbine is ejected. doing. For this reason, exhaust gas of high temperature and high pressure is not unnecessarily ejected downstream of the turbine, and exhaust energy can be used efficiently.
[実施の形態3]
〈実施の形態3の構成〉本実施の形態では前記実施の形態2の排気噴出制御処理(図4)の代わりに図5に示す排気噴出制御処理を同様な周期で実行する。後述する排気温センサの配置を除いては、他の構成は前記実施の形態2と同じであるので、図3も参照して説明する。
〈実施の形態3の作用〉図5の処理に基づいて本実施の形態の作用を説明する。本処理が開始されると、まず尿素水噴射要求が有るか否かを判定する(S200)。この処理は前記図4のステップS100の処理と同じである。ここで尿素水噴射要求が無い場合には(S200でNO)、バルブ122aの閉指令をアクチュエータ122bに出力する(S204)。この処理は前記図4のステップS104の処理と同じである。このことにより噴出部124から下流側の排気管112内部に、タービン上流の高温高圧の排気は噴出されることはない。
[Embodiment 3]
<Configuration of Third Embodiment> In the present embodiment, the exhaust jet control process shown in FIG. 5 is executed in the same cycle instead of the exhaust jet control process (FIG. 4) of the second embodiment. Except for the arrangement of the exhaust gas temperature sensor, which will be described later, the other configuration is the same as that of the second embodiment, and will be described with reference to FIG.
<Operation of Embodiment 3> The operation of the present embodiment will be described based on the processing of FIG. When this process is started, it is first determined whether or not there is a urea water injection request (S200). This process is the same as the process in step S100 of FIG. If there is no urea water injection request (NO in S200), a valve 122a closing command is output to the actuator 122b (S204). This process is the same as the process in step S104 of FIG. As a result, the high-temperature and high-pressure exhaust upstream of the turbine is not ejected from the ejection part 124 into the exhaust pipe 112 on the downstream side.
尿素水噴射要求が有る場合には(S200でYES)、次に排気温が基準温度より低いか否かを判定する(S201)。ここで排気温は、タービンの下流側の排気管112における排気温であり、本実施の形態ではタービン下流側の排気管112に設けられた排気温センサからECU130が検出している。基準温度は、タービンを経てその下流側の排気管112へ流れ込む排気の温度が高いことにより、排気噴出機構126からの高温高圧の排気の噴出なしに、尿素水添加弁114から噴射される尿素水が下流のSCR触媒120に到達するまでに十分に攪拌されてかつ加水分解される最低限の排気温が設定されている。 If there is a urea water injection request (YES in S200), it is next determined whether the exhaust temperature is lower than the reference temperature (S201). Here, the exhaust temperature is the exhaust temperature in the exhaust pipe 112 on the downstream side of the turbine, and in this embodiment, the ECU 130 detects from the exhaust temperature sensor provided in the exhaust pipe 112 on the downstream side of the turbine. The reference temperature is such that the temperature of the exhaust gas flowing into the exhaust pipe 112 on the downstream side through the turbine is high, so that the urea water injected from the urea water addition valve 114 without the injection of high-temperature and high-pressure exhaust from the exhaust injection mechanism 126. Is set to a minimum exhaust temperature that is sufficiently agitated and hydrolyzed until it reaches the downstream SCR catalyst 120.
ここで実測された排気温が基準温度より低くなければ(S201でNO)、タービンを経てきた高温の排気により、尿素水の水分が気化して激しい膨張が生じると共に、迅速に尿素を加水分解することが可能なことから、バルブ122aの閉指令をアクチュエータ122bに出力する(S204)。このことにより噴出部124から下流側の排気管112内部にタービン上流の高温高圧の排気が噴出されなくても、尿素水は迅速に加水分解され、アンモニアが均一分散されて下流のSCR触媒120に到達する。 If the actually measured exhaust temperature is not lower than the reference temperature (NO in S201), the high-temperature exhaust gas that has passed through the turbine vaporizes moisture of the urea water and causes severe expansion, and also rapidly hydrolyzes urea. Since it is possible, a closing command for the valve 122a is output to the actuator 122b (S204). As a result, even if high-temperature and high-pressure exhaust upstream of the turbine is not ejected from the ejection part 124 into the exhaust pipe 112 on the downstream side, the urea water is rapidly hydrolyzed and ammonia is uniformly dispersed to the downstream SCR catalyst 120. To reach.
一方、実測された排気温が基準温度より低くければ(S201でYES)、タービンを経てきた低温の排気による尿素水の膨張は激しくなく、尿素の加水分解も迅速になされない可能性があることから、バルブ122aの開指令をアクチュエータ122bに出力する(S202)。このことにより噴出部124から下流側の排気管112内部に、タービン上流の高温高圧の排気が噴出される。したがって尿素水添加弁114から尿素水が噴射されている排気管112内の空間領域Suに対して、高温高圧の排気が噴出部124から高速に流れ込み、噴霧された尿素水を加熱しつつ攪拌する。このことにより尿素水は十分に高温化されて迅速に加水分解反応が生じ、下流のSCR触媒120にアンモニアを十分均一に供給できる。
〈実施の形態3の効果〉(1)前記実施の形態2の効果を生じる。これと共に、タービン経由の排気が高温である場合には(S201でNO)、噴出部124からの排気噴出は不要であることから、バルブ122aを閉じて(S204)、不必要に高温高圧の排気をタービン下流に噴出させていない。このため排気エネルギーの利用が、より効率的なものとなる。
On the other hand, if the actually measured exhaust temperature is lower than the reference temperature (YES in S201), the urea water does not expand rapidly due to the low-temperature exhaust gas that has passed through the turbine, and the urea may not be rapidly hydrolyzed. Then, an opening command for the valve 122a is output to the actuator 122b (S202). As a result, high-temperature and high-pressure exhaust upstream of the turbine is ejected from the ejection portion 124 into the exhaust pipe 112 on the downstream side. Accordingly, high-temperature and high-pressure exhaust gas flows from the ejection portion 124 at high speed into the space region Su in the exhaust pipe 112 into which urea water is injected from the urea water addition valve 114, and agitates while heating the sprayed urea water. . As a result, the temperature of the urea water is sufficiently raised to cause a rapid hydrolysis reaction, and ammonia can be supplied sufficiently uniformly to the downstream SCR catalyst 120.
<Effects of Third Embodiment> (1) The effects of the second embodiment are produced. At the same time, if the exhaust via the turbine is hot (NO in S201), the exhaust from the ejection part 124 is unnecessary, so the valve 122a is closed (S204), and the exhaust gas is unnecessarily high temperature and pressure. Is not ejected downstream of the turbine. For this reason, the use of exhaust energy becomes more efficient.
[実施の形態4]
〈実施の形態4の構成〉本実施の形態では前記実施の形態1〜3において用いられている噴出部24,124に代わって、図6,7に示す噴出部224を用いている。この噴出部224は、全体がリング状であり、SCR触媒220の上流側において、排気管212の全周にわたって配置されている。
[Embodiment 4]
<Configuration of Embodiment 4> In the present embodiment, a jet portion 224 shown in FIGS. 6 and 7 is used in place of the jet portions 24 and 124 used in the first to third embodiments. The entire jet portion 224 has a ring shape, and is arranged over the entire circumference of the exhaust pipe 212 on the upstream side of the SCR catalyst 220.
噴出部224内部には環状空間224aが形成されており、この環状空間224aに、バイパス路222を介してタービン上流側の高温高圧の排気が供給される。
噴出部224の内側には環状空間224a内の高温高圧の排気を噴出させる噴出口224bが形成されている。この噴出口224bは、等位相間隔(ここでは90°間隔)で複数、ここでは4つ配置されている。この噴出口224bから、環状空間224a内の高温高圧の排気が、タービンを介して排気管212を流れてくる低温低圧の排気中に噴出される。
An annular space 224 a is formed inside the ejection portion 224, and high-temperature and high-pressure exhaust on the upstream side of the turbine is supplied to the annular space 224 a via the bypass passage 222.
A jet outlet 224b for jetting high-temperature and high-pressure exhaust in the annular space 224a is formed inside the jet section 224. A plurality of, here four, jet nozzles 224b are arranged at equal phase intervals (here, 90 ° intervals). High-temperature and high-pressure exhaust gas in the annular space 224a is jetted from the jet port 224b into low-temperature and low-pressure exhaust gas flowing through the exhaust pipe 212 via the turbine.
尿素水添加弁214は、噴出部224の上流側から、排気流動方向に沿って噴出部224の中心部分に尿素水を噴射するように排気管212に取り付けられている。
〈実施の形態4の作用〉尿素水添加弁214から噴射された尿素水は、排気流と共に噴出部224の中心部を通過する際に、全周にわたって噴出口224bから噴出する高温高圧の排気に曝される。
The urea water addition valve 214 is attached to the exhaust pipe 212 so as to inject urea water from the upstream side of the ejection portion 224 to the central portion of the ejection portion 224 along the exhaust flow direction.
<Operation of Embodiment 4> When urea water injected from the urea water addition valve 214 passes through the central portion of the ejection portion 224 together with the exhaust flow, it is turned into high-temperature and high-pressure exhaust that is ejected from the ejection port 224b over the entire circumference. Be exposed.
このため尿素水は激しく攪拌されて高温化し、排気管212内の全体に均一に分散し、かつ迅速に加水分解がなされて、SCR触媒220に流れ込むことになる。
〈実施の形態4の効果〉(1)前記実施の形態1〜3のいずれかの効果を生じる。これと共に、尿素水が排気管212内部の中央を流れる際に、その空間領域Suが周りからの高温高圧の排気噴出により、十分攪拌及び加熱されるため、排気管212の内壁への尿素固着防止を完全なものにすることができる。
For this reason, the urea water is vigorously stirred and heated to a high temperature, uniformly dispersed throughout the exhaust pipe 212, and rapidly hydrolyzed and flows into the SCR catalyst 220.
<Effects of Embodiment 4> (1) The effects of any of Embodiments 1 to 3 are produced. At the same time, when urea water flows in the center of the exhaust pipe 212, the space region Su is sufficiently stirred and heated by high-temperature and high-pressure exhaust jets from the surroundings, so that urea sticking to the inner wall of the exhaust pipe 212 is prevented. Can be complete.
[その他の実施の形態]
・前記各実施の形態において、タービン上流の排気をタービン下流側の噴出部に導くためのバイパス路を断熱材で被覆しても良い。このことにより、タービン上流の排気をバイパス途中で冷却させることなく噴出させることができ、排気エネルギーの利用効率が一層高まる。
[Other embodiments]
In each of the above embodiments, the bypass path for guiding the exhaust upstream of the turbine to the jet part on the downstream side of the turbine may be covered with a heat insulating material. As a result, the exhaust gas upstream of the turbine can be ejected without being cooled in the middle of the bypass, and the utilization efficiency of the exhaust energy is further increased.
・排気噴出制御処理(図4,5)では、尿素水噴射要求がある場合、すなわち尿素水添加期間のみに高温高圧の排気を噴出させたが、このように尿素水添加期間と排気噴出期間とを完全に同期させるのではなく、尿素水添加期間よりも少し長めに排気噴出期間を設定しても良い。このようにすることにより、尿素水添加期間の最後に噴射された尿素水における尿素の加水分解を確実なものとすることができる。 In the exhaust jet control process (FIGS. 4 and 5), when there is a urea water injection request, that is, high-temperature and high-pressure exhaust is jetted only during the urea water addition period, the urea water addition period and the exhaust jet period are May be set slightly longer than the urea water addition period, instead of synchronizing them completely. By doing in this way, the hydrolysis of urea in the urea water injected at the end of the urea water addition period can be ensured.
・前記実施の形態3の排気噴出制御処理(図5)では、タービン下流の排気温に基づいて、上流側の排気噴出有無を判断(S201)していたが、これ以外に、ディーゼルエンジンの負荷によりタービン下流での排気温や排気流状態が変化するので、ディーゼルエンジンの負荷に基づいて上流側の排気噴出有無を判断しても良い。 In the exhaust gas ejection control process (FIG. 5) of the third embodiment, the presence / absence of exhaust gas ejection on the upstream side is determined based on the exhaust gas temperature downstream of the turbine (S201). As a result, the exhaust temperature and the exhaust flow state downstream of the turbine change, so the presence / absence of upstream exhaust injection may be determined based on the load of the diesel engine.
2…ディーゼルエンジン、4…ターボチャージャー、4a…コンプレッサ、4b…タービン、6…吸気管、8…インタークーラー、12…排気管、14…尿素水添加弁、16…ポンプ、18…尿素水貯留タンク、20…SCR触媒、22…バイパス路、24…噴出部、24a…蓄積室、24b…内側壁部、24c…噴出口、26…排気噴出機構、112…排気管、114…尿素水添加弁、116…ポンプ、118…尿素水貯留タンク、120…SCR触媒、122…バイパス路、122a…バルブ、122b…アクチュエータ、124…噴出部、126…排気噴出機構、130…ECU、212…排気管、214…尿素水添加弁、220…SCR触媒、222…バイパス路、224…噴出部、224a…環状空間、224b…噴出口、Su…空間領域。 2 ... diesel engine, 4 ... turbocharger, 4a ... compressor, 4b ... turbine, 6 ... intake pipe, 8 ... intercooler, 12 ... exhaust pipe, 14 ... urea water addition valve, 16 ... pump, 18 ... urea water storage tank, DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... SCR catalyst, 22 ... Bypass path, 24 ... Injection part, 24a ... Accumulation chamber, 24b ... Inner side wall part, 24c ... Outlet, 26 ... Exhaust injection mechanism, 112 ... Exhaust pipe, 114 ... Urea water addition valve, 116 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Pump, 118 ... Urea water storage tank, 120 ... SCR catalyst, 122 ... Bypass path, 122a ... Valve, 122b ... Actuator, 124 ... Injection part, 126 ... Exhaust injection mechanism, 130 ... ECU, 212 ... Exhaust pipe, 214 ... Urea water addition valve, 220 ... SCR catalyst, 222 ... Bypass passage, 224 ... Jet section, 224a ... Annular space, 224b ... Jet port, Su ... Between the regions.
Claims (5)
前記添加弁の噴射方向における排気管内の空間領域に、前記タービンより上流側の排気を噴出させる排気噴出機構を備えたことを特徴とする還元剤添加システム。 Reduction in which an ammonia reducing agent is supplied to a catalyst arranged downstream of the exhaust pipe by injecting the ammonia reducing agent into the exhaust gas in the exhaust pipe from an addition valve arranged downstream of the turbocharger turbine in the exhaust pipe of the internal combustion engine An agent addition system,
A reducing agent addition system comprising: an exhaust jet mechanism for jetting exhaust gas upstream of the turbine in a space region in an exhaust pipe in an injection direction of the addition valve.
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WO2015115092A1 (en) | 2014-01-31 | 2015-08-06 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Exhaust system structure for internal combustion engine |
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2012
- 2012-02-03 JP JP2012022199A patent/JP2013160128A/en active Pending
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